1、5 51 1光檢測器光檢測器5 51 11 1光檢測的原理光檢測的原理5 51 12 PIN2 PIN光電二極管光電二極管5 51 13 3 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APDAPD）5 52 2光接收機光接收機 5 52 21 1數字光接收機的基本組成數字光接收機的基本組成 5 52 22 2數字光接收機的噪聲數字光接收機的噪聲 5 52 23 3誤碼率誤碼率 5 52 24 4靈敏度靈敏度 5 52 25 5 動態范圍動態范圍光檢測器是光接收機的關鍵器件。光檢測器是光接收機的關鍵器件。功能功能: :將接受到的將接受到的光信號轉化成電信號光信號轉化成電信號，在電，在電路中形成隨著入射光強

2、弱變化而變化的電流。路中形成隨著入射光強弱變化而變化的電流。 PINPIN光電二極管光電二極管 常用的光檢測器：常用的光檢測器： 雪崩二極管雪崩二極管 5 51 1光檢測器光檢測器當當PN結上加有結上加有反向偏壓反向偏壓時，外加電場的方向和空間電荷區時，外加電場的方向和空間電荷區里電場的方向相同，因此在空間電荷區里載流子基本耗盡里電場的方向相同，因此在空間電荷區里載流子基本耗盡了，這個區域稱為了，這個區域稱為耗盡區耗盡區。一一.PN結的光電效應結的光電效應 光電二極管（光電二極管（PD）是一個工作在）是一個工作在反向偏壓反向偏壓下的下的PN結二極管，它的工作原理可用結二極管，它的工作原理可用光

3、電效應光電效應來解釋。來解釋。5 51 11 1光檢測的原理光檢測的原理 當光束入射到當光束入射到PN結上，且結上，且光子能量大于半導體材料的光子能量大于半導體材料的禁帶寬度時，禁帶寬度時，價帶上的電子價帶上的電子可以吸收光子而躍遷到導帶，可以吸收光子而躍遷到導帶，結果產生一個電子結果產生一個電子-空穴對?？昭▽?。 當連接的電路閉合時當連接的電路閉合時,N區過剩的電子通過外部電路流向區過剩的電子通過外部電路流向P區，區，P區的空穴流向區的空穴流向N區，便形成了區，便形成了光生電流。光生電流。當入射光當入射光功率變化時，光生電流也隨之線形變化，從而把光信號轉功率變化時，光生電流也隨之線形變化，從

4、而把光信號轉化成電流信號。化成電流信號。 如果光生的電子如果光生的電子-空穴對在空穴對在耗盡區耗盡區產生，那么在電場的產生，那么在電場的作用下，電子將向作用下，電子將向N區漂移，而空穴將向區漂移，而空穴將向P區漂移。當與區漂移。當與P層和層和N層連接的電路開路時，便在兩端產生產生電動勢，這層連接的電路開路時，便在兩端產生產生電動勢，這種效應稱為種效應稱為光電效應。光電效應。 注意：注意：如果入射光子的能量小于如果入射光子的能量小于 時，不時，不論入射光有多么強，光電效應也不會發生。論入射光有多么強，光電效應也不會發生。即光電效應必須滿足條件即光電效應必須滿足條件gEgEhf 或gEhc式中：是

5、真空中的光速；是入射光的波長；式中：是真空中的光速；是入射光的波長； h是普朗克常量；是普朗克常量； 是材料的禁帶寬度。是材料的禁帶寬度。cgE二光電二極管的波長響應二光電二極管的波長響應 由光電效應的條件可知，由光電效應的條件可知，對任何一種材料對任何一種材料制作的光電二極管，都有制作的光電二極管，都有上截止波長，上截止波長，定義為定義為 Si材料制作的材料制作的PIN光電二極管，光電二極管， 1.06um Ge材料制作的材料制作的PIN光電二極管，光電二極管， 1. 6umcc 原因原因:當入射光波長很短當入射光波長很短時，材料的吸收系數變時，材料的吸收系數變得很大，得很大，結果使大量的入

6、射光子在光電二極管的表面層(如P區)就被吸收。 入射光波長太短時入射光波長太短時,光變電的轉化效率也會大光變電的轉化效率也會大大下降。大下降。 光電二極管的表面層往往存在一個零電場的區域光電二極管的表面層往往存在一個零電場的區域,當電子當電子-空穴對在表面層（如空穴對在表面層（如P區）里產生時，少數載區）里產生時，少數載流子首先要擴散到耗盡層，然后才能被外電路收集。流子首先要擴散到耗盡層，然后才能被外電路收集。 但在表面層區域，少數載流子的壽命時間很短，擴但在表面層區域，少數載流子的壽命時間很短，擴散速度又慢，電子散速度又慢，電子-空穴對往往在被檢測器電路收集以空穴對往往在被檢測器電路收集以前

7、就已被復合掉，從而使檢測器的光電轉換效率降低。前就已被復合掉，從而使檢測器的光電轉換效率降低。Si材料材料PIN光電二極管，波長響應范圍：光電二極管，波長響應范圍：0.51.0umGe和和InGaAs材料材料PIN光電二極管光電二極管, 波長響應范圍：波長響應范圍：1.11.6um光電二極管的波長響應范圍光電二極管的波長響應范圍:5 51 12 PIN2 PIN光電二極管光電二極管 為了提高光電轉換效率，最好使所有的入為了提高光電轉換效率，最好使所有的入射光落在作用區（耗盡區內），必須采取如下措射光落在作用區（耗盡區內），必須采取如下措施：施： 減小入射表面的反射率；減小入射表面的反射率； 盡

8、量減小光子在表面層被吸收的可能性，增盡量減小光子在表面層被吸收的可能性，增加耗盡區的寬度，使光子在耗盡區被充分吸收加耗盡區的寬度，使光子在耗盡區被充分吸收。 PIN光電二極管就是基于此種設計思想的一光電二極管就是基于此種設計思想的一種器件。種器件。一一.PIN光電二極管的結構光電二極管的結構 PN結的中間是一個接近本征，結的中間是一個接近本征，摻雜很低的摻雜很低的N區，稱為區，稱為I層，層，I層很厚。兩側是摻雜濃度很層很厚。兩側是摻雜濃度很高的高的P型和型和N型半導體，用型半導體，用P+和和N+表示，表示，P+層和層和N+層很薄。層很薄。則在則在P+層和層和I層之間形成了一層之間形成了一個耗盡

9、層，通過調整材料的個耗盡層，通過調整材料的摻雜濃度和加上適當的反向摻雜濃度和加上適當的反向偏壓，就可以將耗盡層拓寬偏壓，就可以將耗盡層拓寬到整個到整個I層。層。 由于由于P+層和層和N+層都很薄，這樣耗盡區幾乎占據了整個層都很薄，這樣耗盡區幾乎占據了整個PN結，光在結，光在零電場區被吸收的可能性很小，零電場區被吸收的可能性很小，從而提高光電轉從而提高光電轉換效率。換效率。二二PIN光電二極管的基本特性光電二極管的基本特性1.1.光電轉換效率光電轉換效率 響應度響應度 ：定義為輸出光生電流：定義為輸出光生電流 和入射光功和入射光功率率 的比值。的比值。 PI0P量子效率量子效率 ：定義為一次光生

10、電子：定義為一次光生電子-空穴對和入空穴對和入射光子數的比值射光子數的比值 式中式中 為入射光功率，為入射光功率， 為光生電流，為光生電流， 為光子能量，為光子能量，為電子電荷。為電子電荷。 0PPIhfe 量子效率量子效率 和響應度和響應度 取決于材料的特性和器取決于材料的特性和器件的結構。件的結構。 假設假設:器件表面反射率為零；器件表面反射率為零；P層和層和N層對量子效率的層對量子效率的貢獻為零；僅僅耗盡區（貢獻為零；僅僅耗盡區（I區）里吸收的光子才能有效的區）里吸收的光子才能有效的轉化成光電流。轉化成光電流。 則則PIN光電二極管的量子效率可近似表示為：光電二極管的量子效率可近似表示為

11、： 式中式中 和和 分別為耗盡區（分別為耗盡區（I區）的吸收系數和厚度。區）的吸收系數和厚度。 w 可見，當可見，當 1時，時， 所以為提高量子效率所以為提高量子效率 ，I層的厚度層的厚度 要足夠大。要足夠大。 w1w2.2.暗電流暗電流 暗電流暗電流Id：是在反向偏壓條件下，沒有入射：是在反向偏壓條件下，沒有入射光時，光電二極管產生的反向電流。光時，光電二極管產生的反向電流。 包括：晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和包括：晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴散形成的本征暗電流。載流子熱擴散形成的本征暗電流。 暗電流與光電二極管的材料和結構有關暗電流與光電二極管的材料和結構有關 例如：例如

12、：Si材料的材料的PIN，Id100 nA。3.3.噪聲噪聲n 噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數，噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數，它直接影響光接收機的靈敏度它直接影響光接收機的靈敏度n 光電二極管的噪聲光電二極管的噪聲:包括包括散粒噪聲散粒噪聲和和熱噪聲。熱噪聲。n 噪聲通常用噪聲通常用均方噪聲電流均方噪聲電流(在在1負載上消耗負載上消耗的噪聲功率的噪聲功率)來描述。來描述。 n(1)散粒噪聲：散粒噪聲：是由于帶電粒子產生和運動的是由于帶電粒子產生和運動的隨機性而引起的一種具有均勻頻譜的白噪聲。隨機性而引起的一種具有均勻頻譜的白噪聲。包括包括:量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲量子

13、噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲n量子噪聲量子噪聲：是由于光電子產生和收集的統計特：是由于光電子產生和收集的統計特性造成的。性造成的。n量子噪聲電流的均方值量子噪聲電流的均方值: 其中：其中：IP為平均光電流；為平均光電流；e為電子電荷；為電子電荷；f為噪聲帶寬。為噪聲帶寬。說明：說明：n1）量子噪聲伴隨著入射光信號的產生而產生，）量子噪聲伴隨著入射光信號的產生而產生，隨著信號的增大而增大；當入射光信號消失，隨著信號的增大而增大；當入射光信號消失，量子噪聲也消失。量子噪聲也消失。n2）量子噪聲是一種不可克服的本征噪聲，它量子噪聲是一種不可克服的本征噪聲，它決定光接收機靈敏度的極限。決定光接收機靈敏

14、度的極限。 n 暗電流噪聲暗電流噪聲: 暗電流是器件在反偏壓條件下，暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產生的反向直流電流。它是由于沒有入射光時產生的反向直流電流。它是由于PN結內電子的熱擴散形成的。結內電子的熱擴散形成的。n暗電流的均方值：暗電流的均方值： 其中：其中：Id為暗電流平均值；為暗電流平均值；說明：說明：n1. 偏置電流增大，暗電偏置電流增大，暗電流增大；流增大；n2. 器件溫度升高，暗電器件溫度升高，暗電流增大；流增大；n3.暗電流與光電二極管暗電流與光電二極管材料和結構有關。材料和結構有關。n例例:si-PIN，Id100nA。 n漏電流噪聲漏電流噪聲: 是由于器件表面物

15、理缺陷引起的。是由于器件表面物理缺陷引起的。n 漏漏電流的均方值：電流的均方值：其中：其中：IL為漏電流平均值；為漏電流平均值；說明：漏電流和暗電流只能通過合理設計、良好說明：漏電流和暗電流只能通過合理設計、良好的結構和嚴格的工藝來降低。的結構和嚴格的工藝來降低。 n(2)熱噪聲：熱噪聲：任何電阻都具有熱噪聲。只要溫度任何電阻都具有熱噪聲。只要溫度高于絕對零度，電阻中大量的電子就會在熱激高于絕對零度，電阻中大量的電子就會在熱激勵下作無規則運動，由此在電阻上形成無規則勵下作無規則運動，由此在電阻上形成無規則弱電流，形成電阻的熱噪聲。弱電流，形成電阻的熱噪聲。n包括：包括：負載電阻和后繼放大器輸入

16、電阻負載電阻和后繼放大器輸入電阻產生的產生的熱噪聲。熱噪聲。n均方熱噪聲電流：均方熱噪聲電流：式中：式中：k=1.3810-23J/K為波爾茲曼常數；為波爾茲曼常數；T為絕對溫度；為絕對溫度；R為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電阻的并聯為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電阻的并聯.nPIN光電二極管的總均方噪聲電流為：光電二極管的總均方噪聲電流為： 5 51 13 3 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APDAPD） 一一APD的工作原理的工作原理 隨著反向偏壓的增加，隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。開始光電流基本保持不變。當反向偏壓增加到一定數值當反向偏壓增加到一定數值時，光電流

17、急劇增加，最后時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓擊穿電壓UB。 APD就是根據這種特性就是根據這種特性設計的器件。設計的器件。 根據光電效應，當光入射到根據光電效應，當光入射到PN結時，光子被吸收而產生結時，光子被吸收而產生電子電子-空穴對?？昭▽ΑＨ绻聪螂妷涸黾拥绞请妶鋈绻聪螂妷涸黾拥绞请妶鲞_到達到200kV/cm以上，初始以上，初始電子（一次電子）在高電場電子（一次電子）在高電場區獲得足夠的能量而加速運區獲得足夠的能量而加速運動。高速運動的電子和晶格動。高速運動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電原子相碰撞，使晶格原子電離，產生新的電子離，

18、產生新的電子-空穴對，空穴對，這個過程稱為這個過程稱為碰撞電離碰撞電離。 新產生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，新產生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產生連鎖反應，致使載流子產生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增雪崩式倍增，見圖。所以這種，見圖。所以這種器件就被稱為器件就被稱為雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）。）。二二APD的倍增因子的倍增因子 由于雪崩倍增效應是一個復雜的隨機過程，所以用這由于雪崩倍增效應是一個復雜的隨機過程，所以用這種效應對一次光生電流產生的平均增益的倍數來描述它的種效應對一次光生電流產生的平均增益的倍數來描述它的放大作用，即用放大作用，即用倍增因子倍增

19、因子 來定義。來定義。 g根據經驗，并考慮到器件體電阻的影響，可以表示為根據經驗，并考慮到器件體電阻的影響，可以表示為g式中式中 為為APD擊穿電壓，為與材料特性和入射光波長有擊穿電壓，為與材料特性和入射光波長有關的常數，關的常數，R為為APD體電阻。現有的體電阻?，F有的APD的的 值已達幾值已達幾十到上百，隨反向偏壓，波長和溫度而變化。十到上百，隨反向偏壓，波長和溫度而變化。 BUgn 三三. APD的結構類型的結構類型 在光通信中常用的在光通信中常用的APD有如下幾中結構類型。有如下幾中結構類型。 保護環型（保護環型（GAPD ） 短波段短波段 （0.85um） 拉通型（拉通型（RAPD）

20、 SAM（Separated Absorption 長波段長波段 and multiplexing）（1.3 um1.55 um） SAGM （帶隙漸變型（帶隙漸變型SAM） 1.1.拉通型（拉通型（RAPDRAPD） 當偏置電壓逐漸升高時，峰值電場超過雪崩效應所需最低電壓，就會發生雪崩效應。同時，耗盡區已經“拉通”到了整個 區。雖然 區的電場比高場區低，但也足以保證載流子有較高的漂移速度。 入射光子在 區被吸收后，產生一次電子-空穴對，其中的一次電子在電場的作用下向PN結漂移，并在那里產生雪崩效應，而一次空穴在電場的作用下移向P+區，被外電路收集。 P+和N+為高摻雜低阻區，壓降很小，偏置電

21、壓基本上都落在高阻的PN結上。低摻雜的本征區 很寬，電場較低，大部分入射光子在此區被吸收并建立最初的電子空穴對。 當偏置電壓較低時，電場分布如圖中虛線所示，這時本征區也未耗盡，而且峰值電場較低，不會發生碰撞電離。5 52 2光接收機光接收機5 52 21 1數字光接收機的基本組成數字光接收機的基本組成5 52 22 2數字光接收機的噪聲數字光接收機的噪聲5 52 23 3誤碼率誤碼率5 52 24 4靈敏度靈敏度5 52 25 5 動態范圍動態范圍n光接收機功能光接收機功能: : 把從光纖線路輸出，產生畸變和衰減的把從光纖線路輸出，產生畸變和衰減的微弱微弱光信號轉為電信號光信號轉為電信號，并經

22、放大和處理，并經放大和處理后恢復成發射前的電信號后恢復成發射前的電信號n主要組成部分：光檢測器（核心）主要組成部分：光檢測器（核心）5 52 21 1數字光接收機的基本組成數字光接收機的基本組成 1 1光檢測器：光檢測器：實現電實現電/ /光轉換的關鍵器件。即光轉換的關鍵器件。即對光進行解調。對光進行解調。2放大器放大器：包括：包括前置放大器前置放大器和和主放大器主放大器： n前置放大器前置放大器：n 低噪聲、高增益和足夠的帶寬特性，以獲得較低噪聲、高增益和足夠的帶寬特性，以獲得較大的信噪比。大的信噪比。n 它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大它的噪聲對光接收機的靈敏度影響很大n 輸出一般為毫伏

23、數量級。輸出一般為毫伏數量級。 n主放大器主放大器： n作用：作用：是提供足夠的增益，將前置放大器輸出是提供足夠的增益，將前置放大器輸出的信號電平放大到判決電路所需要的信號電平。的信號電平放大到判決電路所需要的信號電平。n一般是多級放大器一般是多級放大器;n是一個增益可調節的放大器。是一個增益可調節的放大器。 它的增益受它的增益受AGC電路（自動增益控制電路）的控電路（自動增益控制電路）的控制，以使輸出的電信號的幅度在一定范圍內不受輸制，以使輸出的電信號的幅度在一定范圍內不受輸入光信號幅度的影響入光信號幅度的影響。 3、均衡器：、均衡器： n（1）沒有均衡器出現的問題）沒有均衡器出現的問題 ：

24、從接收機主放：從接收機主放大器輸出的脈沖形狀將不會再是矩形了，將可大器輸出的脈沖形狀將不會再是矩形了，將可能出現很長的拖尾。這種拖尾現象將會使前、能出現很長的拖尾。這種拖尾現象將會使前、后碼元的波形重疊產生碼間干擾后碼元的波形重疊產生碼間干擾n對于一個實際的傳輸系統（包括信道，放大器，濾對于一個實際的傳輸系統（包括信道，放大器，濾波器等），其頻帶總是受限的，結果使輸出波形有波器等），其頻帶總是受限的，結果使輸出波形有很大的拖尾，使前后碼元在波形上相互重疊，而產很大的拖尾，使前后碼元在波形上相互重疊，而產生碼間干擾。生碼間干擾。 n（2）均衡器作用：使經過均衡器以后的波形）均衡器作用：使經過均衡

25、器以后的波形成為有利于判決的波形。成為有利于判決的波形。n在本碼判決時刻波形的瞬時值應為最大值；在本碼判決時刻波形的瞬時值應為最大值；n這個本碼波形的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬時值這個本碼波形的拖尾在鄰碼判決時刻的瞬時值應為應為0。 n一般用具有升余弦頻譜的碼元脈沖波形一般用具有升余弦頻譜的碼元脈沖波形 4、再生電路：、再生電路：包括包括判決器判決器和和時鐘提取電路時鐘提取電路n-作用：將均衡器輸出的升余弦波形信號，恢復作用：將均衡器輸出的升余弦波形信號，恢復為原發送為原發送“0”或或“1”的數字信號。的數字信號。n再生過程：再生過程：n為了能從均衡器的輸出信號判決出是為了能從均衡器的輸出信號判決

26、出是“0”還是還是“1”碼，首先要確定判決的時刻，這就要從升余弦波形碼，首先要確定判決的時刻，這就要從升余弦波形中提取準確的時鐘信號。中提取準確的時鐘信號。n時鐘信號經過適當的移相后，在最佳的取樣時刻對時鐘信號經過適當的移相后，在最佳的取樣時刻對升余弦波形進行取樣，然后將取樣幅度與判決閾值升余弦波形進行取樣，然后將取樣幅度與判決閾值進行比較，確定碼元是進行比較，確定碼元是“0”還是還是“1”，從而把升余，從而把升余弦波形恢復再生成原傳輸的數字信號。弦波形恢復再生成原傳輸的數字信號。 5 52 22 2數字光接收機的噪聲數字光接收機的噪聲一光接收機噪聲的分類一光接收機噪聲的分類二噪聲分析的一般方

27、法二噪聲分析的一般方法三光接收機的噪聲等效模型三光接收機的噪聲等效模型四放大器噪聲的計算四放大器噪聲的計算五前置放大器的類型五前置放大器的類型一光接收機噪聲的分類一光接收機噪聲的分類 光接收機的噪聲有兩部分：光接收機的噪聲有兩部分：外部噪聲外部噪聲和和內部噪聲內部噪聲。n外部噪聲外部噪聲：由外部電磁干擾產生的?？梢酝ǎ河赏獠侩姶鸥蓴_產生的。可以通過屏蔽或濾波來消除。過屏蔽或濾波來消除。 n內部噪聲內部噪聲：是在信號檢測和放大過程中引入：是在信號檢測和放大過程中引入的隨機噪聲。的隨機噪聲。n主要包括：主要包括：光檢測器的噪聲光檢測器的噪聲、前置放大器前置放大器的噪聲的噪聲和和熱噪聲。熱噪聲。 光

28、檢測器的噪聲：光檢測器的噪聲：如量子噪聲，暗電流噪聲，如量子噪聲，暗電流噪聲，漏電流噪聲，漏電流噪聲，APD的倍增噪聲的倍增噪聲前置放大器的噪聲前置放大器的噪聲：放大器的噪聲主要由前置：放大器的噪聲主要由前置放大器噪聲決定。因為前置級輸入的是微弱信放大器噪聲決定。因為前置級輸入的是微弱信號，其噪聲對輸出信噪比影響很大。號，其噪聲對輸出信噪比影響很大。 熱噪聲熱噪聲：負載電阻上的熱噪聲和放大電路中產：負載電阻上的熱噪聲和放大電路中產生的熱噪聲。生的熱噪聲。 二噪聲分析的一般方法二噪聲分析的一般方法n噪聲是一種隨機過程，它的值并不能預噪聲是一種隨機過程，它的值并不能預先確定，在不同的時刻測量噪聲時

29、所得先確定，在不同的時刻測量噪聲時所得的結果也常常是不一樣的，因此，對噪的結果也常常是不一樣的，因此，對噪聲的分析應采用隨機過程的分析方法。聲的分析應采用隨機過程的分析方法。 3平穩隨機過程的功率譜密度平穩隨機過程的功率譜密度 n設有時間函數設有時間函數x（t），），-t+，假設，假設x（t）滿足）滿足荻氏條件，且絕對可積，那么荻氏條件，且絕對可積，那么x（t）的傅立葉變）的傅立葉變換為換為nx（t）和）和FX（w）之間有以下的巴塞伐（）之間有以下的巴塞伐（parseval）等式成立等式成立 n等式左邊的積分表示等式左邊的積分表示x（t）在（）在（-，+）上）上的總能量。的總能量。n把函數把函

30、數x（t）限制在（）限制在（-T，T）時間間隔內的可）時間間隔內的可得到：得到：n上式的左邊表示平均功率：上式的左邊表示平均功率：n函數函數x（t）的雙邊平均功率譜密度（簡稱功率）的雙邊平均功率譜密度（簡稱功率譜密度）為：譜密度）為： 4.4.線形系統對隨機輸入的響應線形系統對隨機輸入的響應 n線形系統在這里指時不變線形系統。線形系統在這里指時不變線形系統。n系統的脈沖響應函數：當系統的輸入是單位脈沖時系統的脈沖響應函數：當系統的輸入是單位脈沖時（t）時，相應的系統的輸出稱為系統的脈沖響應函）時，相應的系統的輸出稱為系統的脈沖響應函數，記作數，記作HT（t）。）。n頻率響應函數（或傳遞函數）：

31、頻率響應函數（或傳遞函數）：HT（t）的傅氏變換）的傅氏變換HT（w）稱為系統的頻率響應函數（或傳遞函數）。）稱為系統的頻率響應函數（或傳遞函數）。n 若對此線形系統輸入信號若對此線形系統輸入信號x(t)，則輸出信號的波形，則輸出信號的波形和頻譜為：和頻譜為：n 線形系統在平穩輸入的條件下，其輸出也是平穩線形系統在平穩輸入的條件下，其輸出也是平穩的。系統的輸出譜密度等于輸入譜密度乘以系統的的。系統的輸出譜密度等于輸入譜密度乘以系統的功率增益因子功率增益因子|HT(w)|2,即即三光接收機的噪聲等效模型三光接收機的噪聲等效模型 n把所有的噪聲源都等效到光接收機的輸入端，把所有的噪聲源都等效到光接

32、收機的輸入端，光接收機的輸入端的噪聲等效模型如圖。光接收機的輸入端的噪聲等效模型如圖。 說明：說明：n光檢測器等效為電流源，光檢測器等效為電流源，n：光檢測器的量子噪聲的均方噪聲電流，功率譜密：光檢測器的量子噪聲的均方噪聲電流，功率譜密度分別為度分別為Sqn：光檢測器的暗電流噪聲的均方噪聲電流（等效噪：光檢測器的暗電流噪聲的均方噪聲電流（等效噪聲功率），功率譜密度為聲功率），功率譜密度為Sd。n R為偏置電阻，為偏置電阻，C為電容（結電容和其他電容），為電容（結電容和其他電容），ib為偏置電阻的熱噪聲電流。為偏置電阻的熱噪聲電流。n 放大器放大器:分解為理想放大器和等效電流源分解為理想放大器和

33、等效電流源和電和電壓源壓源，其功率譜密度分別為，其功率譜密度分別為SI和和SE。Rin是放是放大器的輸入電阻。大器的輸入電阻。 n光檢測器的噪聲特性光檢測器的噪聲特性參見512 節PIN光電二極管的基本特性。n偏置電阻的熱噪聲偏置電阻的熱噪聲：偏置電阻具有熱噪聲，只要偏置電阻具有熱噪聲，只要溫度大于絕對溫度，電阻中大量的電子就會在熱溫度大于絕對溫度，電阻中大量的電子就會在熱激勵下作不規則的運動，結果在電阻上形成不規激勵下作不規則的運動，結果在電阻上形成不規則變化的微弱電流，形成電阻的熱噪聲。則變化的微弱電流，形成電阻的熱噪聲。1.帶有熱噪聲的電阻等效方式帶有熱噪聲的電阻等效方式可以有兩種等效方

34、式：可以有兩種等效方式：n一種是等效一種是等效為一個無噪聲的電阻和一個噪聲電為一個無噪聲的電阻和一個噪聲電流源并聯。流源并聯。（上圖中就是這樣等效的。（上圖中就是這樣等效的。n并聯電流噪聲源的功率譜密度為：并聯電流噪聲源的功率譜密度為：式中：式中：k k為玻耳茲曼常數，為玻耳茲曼常數，k k=1.38=1.381010-23-23J/KJ/K；K K為為絕對溫度。絕對溫度。上式表明，電阻的熱噪聲隨溫度的升高而加大。上式表明，電阻的熱噪聲隨溫度的升高而加大。 n另一種是等效為另一種是等效為一個無噪聲的電阻和一個噪一個無噪聲的電阻和一個噪聲電壓源的串聯。聲電壓源的串聯。n串聯噪聲電壓源的功率譜密度

35、為：串聯噪聲電壓源的功率譜密度為：四放大器噪聲的計算四放大器噪聲的計算1放大器輸入端的噪聲源放大器輸入端的噪聲源 （1）放大器的噪聲包括）放大器的噪聲包括電阻的熱噪聲電阻的熱噪聲及有源器件及有源器件（雙極型晶體管或場效應管）的（雙極型晶體管或場效應管）的散粒噪聲散粒噪聲。將所。將所有噪聲源都等效到輸入端。有噪聲源都等效到輸入端。（2）放大器中各個噪聲源都可以認為是高斯分布放大器中各個噪聲源都可以認為是高斯分布的平穩隨機過程。的平穩隨機過程。 n放大器噪聲的概率密度函數可以表示為高斯函放大器噪聲的概率密度函數可以表示為高斯函數：數： n（3）均值為）均值為0的高斯噪聲的方差的高斯噪聲的方差2實際

36、就代表實際就代表噪聲電壓或（電流）的平方的平均值，即為噪噪聲電壓或（電流）的平方的平均值，即為噪聲平均功率。聲平均功率。n（4）概率密度為高斯函數的各個隨機噪聲，它概率密度為高斯函數的各個隨機噪聲，它們之和的概率密度仍是高斯函數，而且總噪聲們之和的概率密度仍是高斯函數，而且總噪聲的方差等于各個噪聲源的方差之和。的方差等于各個噪聲源的方差之和。n（5）計算放大器的輸出噪聲應求得各個噪聲源）計算放大器的輸出噪聲應求得各個噪聲源的方差，然后求和得到輸出端總噪聲電壓的方的方差，然后求和得到輸出端總噪聲電壓的方差。差。2放大器輸出噪聲電壓的計算方法放大器輸出噪聲電壓的計算方法 (1) 用輸入端各噪聲源的

37、功率譜密度乘以放大器用輸入端各噪聲源的功率譜密度乘以放大器的功率功率增益因子，可得到輸出端的功率譜的功率功率增益因子，可得到輸出端的功率譜密度。密度。其中：其中：n|ZT(w)|2 是放大器的功率增益因子是放大器的功率增益因子nZT(w)是放大器的傳遞函數，它表示輸入電流和輸出電是放大器的傳遞函數，它表示輸入電流和輸出電壓之間的傳遞關系，實為轉移阻抗。壓之間的傳遞關系，實為轉移阻抗。（2）輸出端功率譜密度）輸出端功率譜密度SY（w）對）對w積分，得到積分，得到輸出端的各噪聲電壓的方差（或稱為噪聲功率）輸出端的各噪聲電壓的方差（或稱為噪聲功率）（3）由于放大器的各噪聲源的概率分布函數均為）由于放

38、大器的各噪聲源的概率分布函數均為高斯函數，所以輸出端總噪聲電壓的方差等于各高斯函數，所以輸出端總噪聲電壓的方差等于各噪聲源方差之和。噪聲源方差之和。 說明：說明： 計算時，輸入端的串聯電壓噪聲源首先要乘以計算時，輸入端的串聯電壓噪聲源首先要乘以輸入導納（輸入導納（1/Rt+iwC）的絕對值的平方，轉換成）的絕對值的平方，轉換成電流源，然后再乘以功率增益因子電流源，然后再乘以功率增益因子|ZT(w)|2。式中。式中Rt=RRin。n根據根據上述的步驟，可以算出根據根據上述的步驟，可以算出放大器的總噪聲放大器的總噪聲電壓的方差為：電壓的方差為：五前置放大器的類型五前置放大器的類型 放大器的噪聲特性

39、取決于所采用的前置放大器的噪聲特性取決于所采用的前置放大器的類型放大器的類型。n1.1.前置放大器的分類：前置放大器的分類：n雙極型晶體管前置放大器雙極型晶體管前置放大器n場效應管前置放大器場效應管前置放大器n跨阻型前置放大器跨阻型前置放大器2 2三種類型前置放大器的比較：三種類型前置放大器的比較： n 雙極型晶體管前置放大器：輸入阻抗低，線路簡雙極型晶體管前置放大器：輸入阻抗低，線路簡單；接收機不需要或只需要很少的均衡，碼間干單；接收機不需要或只需要很少的均衡，碼間干擾小；適用于高速率傳輸系統。擾?。贿m用于高速率傳輸系統。n 場效應管前置放大器：輸入阻抗高，噪聲??；高場效應管前置放大器：輸入

40、阻抗高，噪聲??；高頻特性差，適用于低速率傳輸系統。頻特性差，適用于低速率傳輸系統。n 跨阻型前置放大器：是一個性能優良的電流跨阻型前置放大器：是一個性能優良的電流-電電壓轉換器；具有寬頻率低噪聲的優點；壓轉換器；具有寬頻率低噪聲的優點；n根據目前已報導的根據目前已報導的Gbit/s速率的光接收機的情況看，前速率的光接收機的情況看，前置放大器有采用跨阻型也有采用低阻型的。置放大器有采用跨阻型也有采用低阻型的。 5 52 23 3誤碼率誤碼率一一.誤碼的產生誤碼的產生:n在數字光纖通信系統中，接收端的光信號經在數字光纖通信系統中，接收端的光信號經檢測，放大，均衡后，進行判決，再生。檢測，放大，均衡

41、后，進行判決，再生。n判決判決,再生的過程再生的過程:見下圖見下圖n判決是通過時鐘信號的上升沿在最佳的時刻對接收的數字判決是通過時鐘信號的上升沿在最佳的時刻對接收的數字信號進行取樣。信號進行取樣。 n然后將取樣值與判決閾值進行比較，若取樣幅度大于判決然后將取樣值與判決閾值進行比較，若取樣幅度大于判決閾值，則判為閾值，則判為“1”，若取樣幅度小于判決閾值，則判為，若取樣幅度小于判決閾值，則判為“0”，從而使信號得到再生。，從而使信號得到再生。n由于噪聲的存在，接收信號就有被誤判的可能性。由于噪聲的存在，接收信號就有被誤判的可能性。 n誤碼率誤碼率：接收碼元被錯誤判決的概率，接收碼元被錯誤判決的概

42、率，稱為誤碼率。（在二元制的情況下，等稱為誤碼率。（在二元制的情況下，等于誤比特率，于誤比特率，BER） BER錯誤碼元數錯誤碼元數/傳輸總的碼元數傳輸總的碼元數n光接收機輸出的噪聲的特性：光接收機輸出的噪聲的特性：n光接收機輸出的噪聲的特性概率分布十分復光接收機輸出的噪聲的特性概率分布十分復雜，包括放大器引入的噪聲和光檢測器的噪雜，包括放大器引入的噪聲和光檢測器的噪聲。聲。n前面分析過放大起引入的噪聲，是高斯分布前面分析過放大起引入的噪聲，是高斯分布的平穩隨機過程，其概率密度函數為高斯函的平穩隨機過程，其概率密度函數為高斯函數。數。n光電檢測過程，尤其是雪崩光電檢測過程是光電檢測過程，尤其是

43、雪崩光電檢測過程是一個非常復雜的隨機過程，它的概率密度函一個非常復雜的隨機過程，它的概率密度函數是非高斯型的。數是非高斯型的。 n假設：一般假設噪聲電流（或電壓）的瞬時值假設：一般假設噪聲電流（或電壓）的瞬時值服從服從高斯分布，高斯分布，其概率密度函數為其概率密度函數為式中：式中：x是代表噪聲這一高斯隨機變量的取值，均值是代表噪聲這一高斯隨機變量的取值，均值E（x）=0，方差，方差D（x）=2nNA為前置放大器的平均噪聲功率；為前置放大器的平均噪聲功率；nND為光檢測器的平均噪聲功率；為光檢測器的平均噪聲功率；nN0為總的平均噪聲功率。為總的平均噪聲功率。（1）發）發“0”碼時碼時 平均噪聲功

44、率平均噪聲功率N0=NA，NA為前置發達器的平均噪聲為前置發達器的平均噪聲功率；這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率功率；這時沒有光信號輸入，光檢測器的平均噪聲功率ND=0（略去暗電流）。（略去暗電流）。 n發發“0”碼條件下噪聲的概率密度函數：碼條件下噪聲的概率密度函數： 注：均值為注：均值為0的高斯噪聲的方差的高斯噪聲的方差2就是平均噪聲功率就是平均噪聲功率N0 n把把“0”碼誤判為碼誤判為“1”碼的概率碼的概率：等于：等于I0D的概的概率率 （2）發）發“1”碼時：碼時： 平均噪聲功率：平均噪聲功率：N1= NA+ND；ND為光檢測器的平均噪聲為光檢測器的平均噪聲功率；功率； 噪聲

45、電流幅度：噪聲電流幅度：I1-Im； 判決條件：判決條件：I1-Im Im-D(即即I1D)n把把“1”碼誤判為碼誤判為“0”碼的概率碼的概率：等于等于I1-Im Im-D(即即I1D)的概率。的概率。 （3）總誤碼率）總誤碼率 n“0”碼和碼和“1”碼的誤碼率一般是不相同的，但碼的誤碼率一般是不相同的，但對于對于“0”碼和碼和“1”碼等概率而言，一般認為碼等概率而言，一般認為Pe，01= Pe，10時可使誤碼率達到最小。時可使誤碼率達到最小。 n超擾比超擾比Q： 說明：只要知道說明：只要知道Q值，就可以根據總誤碼率的計算公式值，就可以根據總誤碼率的計算公式求出誤碼率，結果如圖。求出誤碼率，結

46、果如圖。例：例：Q=6，BER10-9；Q=7，BER10-12。 n數字通信要求，如果誤比特率小于數字通信要求，如果誤比特率小于10-6，則基本上可以恢復原來的數字信號。如則基本上可以恢復原來的數字信號。如果誤比特率大于果誤比特率大于10-3，則基本上不能進行，則基本上不能進行正常的電話通信。正常的電話通信。n一般要求系統的誤比特率小于一般要求系統的誤比特率小于10-9，即，即10億個脈沖中只容許發生一個誤億個脈沖中只容許發生一個誤碼。碼。 524靈敏度靈敏度n一一.靈敏度的一般計算方法靈敏度的一般計算方法n二理想光接收機的靈敏度二理想光接收機的靈敏度 靈敏度是光接收機的最重要的性能指標。靈

47、敏度是光接收機的最重要的性能指標。n靈敏度：靈敏度：是指保證達到給定的誤碼率是指保證達到給定的誤碼率(或信噪比）的或信噪比）的條件下，光接收機需要輸入的最小平均接收光功率條件下，光接收機需要輸入的最小平均接收光功率min?；蛘哒f在一定誤碼率條件下光接收機所能接。或者說在一定誤碼率條件下光接收機所能接收到的最小光功率。收到的最小光功率。n可用三種物理量表示：可用三種物理量表示：n最小平均光功率最小平均光功率Pminn每個光脈沖的最低平均能量每個光脈沖的最低平均能量Edn每個光脈沖的最低平均光子數每個光脈沖的最低平均光子數n0 接收靈敏度一般用接收靈敏度一般用dBm（毫瓦分貝）來表示，它是（毫瓦分

48、貝）來表示，它是以以lmW光功率為基礎的絕對功率。光功率為基礎的絕對功率。說明：說明：n靈敏度表示光接收機調整到最佳狀態時，能夠接收微弱靈敏度表示光接收機調整到最佳狀態時，能夠接收微弱光信號的能力，提高靈敏度意味著可以接收更微弱的光光信號的能力，提高靈敏度意味著可以接收更微弱的光信號。信號。n影響靈敏度的主要因素是光檢測器和放大器引入的噪聲。影響靈敏度的主要因素是光檢測器和放大器引入的噪聲。一一. .靈敏度的一般計算方法靈敏度的一般計算方法( (1) )計算靈敏度，必須先求出光接收機輸出端總噪計算靈敏度，必須先求出光接收機輸出端總噪聲的概率密度函數聲的概率密度函數( (2) )再根據噪聲的概率

49、密度函數計算出總誤碼率。再根據噪聲的概率密度函數計算出總誤碼率。( (3) )根據所要達到的誤碼率求靈敏度。根據所要達到的誤碼率求靈敏度。 n靈敏度計算的近似方法：靈敏度計算的近似方法：n光接收機輸出的噪聲的特性概率分布十分復雜光接收機輸出的噪聲的特性概率分布十分復雜 ,它的概率密度函數是非高斯型的。它的概率密度函數是非高斯型的。n所以精確計算光接收機的總噪聲的概率分布密所以精確計算光接收機的總噪聲的概率分布密度是十分困難的，常用一些近似方法計算。度是十分困難的，常用一些近似方法計算。n一些常用的近似方法：一些常用的近似方法： 1） 重要性取樣法重要性取樣法 2） 切若夫界限法切若夫界限法 3

50、） 高斯近似法：高斯近似法：CCITT推薦使用的方法。推薦使用的方法。n參見：參見：光纖通信系統光纖通信系統顧畹儀，李國瑞，北京郵電大學顧畹儀，李國瑞，北京郵電大學出版社出版社 二理想光接收機的靈敏度二理想光接收機的靈敏度n理想光接收機的定義：理想光接收機的定義：n假設光檢測器的暗電流為假設光檢測器的暗電流為0；n放大器無噪聲；放大器無噪聲；n只要光電二極管輸出一個電子只要光電二極管輸出一個電子-空穴對所產生空穴對所產生的光電流，判決器就能判決出來。的光電流，判決器就能判決出來。n結論：結論：理想光接收機的靈敏度只受光檢測器的理想光接收機的靈敏度只受光檢測器的量子噪聲的限制量子噪聲的限制，因為量子噪聲是伴隨光信號，因為量子噪聲是伴隨光信號的隨機噪聲，只要有光信號的輸入，就有量子的隨機噪聲，只要有光信號的輸入，就有量子噪聲。噪聲。 1誤碼率的計算誤碼率的計算 （1）發）發“0”碼時的誤碼率碼時的誤碼率：n 光檢測器沒有光輸入，由于光電二極管暗電光檢測器沒有光輸入，由于光電二極管暗電流為流為0，放大器無噪聲，所以光電二極管不輸，放大器無噪聲，所以光電二極管不輸出電子出電子-空穴對，放大器也無信號輸出；空穴對，放大器也無信號輸出；n 因此因此“0”碼誤碼為碼誤碼為“1”碼的